袁岚峰发表的论文

我国的科技，相比一些西方国家还是比较晚，但我国的发展速度快

这是由量子的特性决定的，量子的速度本来就挺快的。

量子计算机可以“超快”，我认为出现这种情况最主要的原因是这项技术非常的先进，而且它的运算速度也非常的快，是我们人类的大脑无法比拟的。

12月4日，由中国科学技术大学潘建伟、陆朝阳等组成的研究团队构建了76个光子的量子计算原型机“九章”，该计算机处理特定问题的计算能力比目前最快的超级计算机快一百万亿倍，比2019年谷歌发布的53个超导比特量子计算原型机“悬铃木”快一百亿倍。

为何量子计算机能这么快，其背后的技术原理是什么？中科大“九章”相比谷歌的“悬铃木”有哪些技术突破？

中科院院士、中国科学技术大学郭光灿教授此前接受财经记者专访时表示，目前现有电子计算机处理数据的方式是串行运算，即存储器只能存一个数，操作一次变成另一个数，所以操作是一步一步的。而量子计算机从原理上是并行处理，操作一次可以把2的N次方数据变成另外2的N次方数据，所以操作一次量子计算机，相当于操作电子计算机2的N次方串行的次数，这就是量子计算机能够超过电子计算机最重要的物理原因。

据了解，量子计算机的计算能力与它单个芯片里面有多少个量子比特有关，量子比特就是那个“N”。在“九章”发布之前，2019年谷歌制造出了拥有53个超导量子比特的计算原型机“悬铃木”，“N”达到53个，而“九章”的“N”达到了76个。

需要注意的是，“九章”采取的是光量子比特，而谷歌采取的是超导量子比特。对此，中国科学技术大学合肥微尺度物质科学国家研究中心副研究员袁岚峰表示，二者分别采用光学与超导作为构建量子计算机的物理体系，“这两个没有孰优孰劣，只是不同的技术路线”。而科普读物《我也能看懂的量子通信》作者，复旦大学理论物理方向研究生“神们自己”则认为，超导需要在超低温(接近绝对零度)下运行，而光子不用，因此基于光量子的量子计算机省掉了巨大的制冷设备和能量消耗，不过“九章”目前是不可编程的，而“悬铃木”则可以编程。在实用价值的角度，可编程当然比不可编程要好很多，所以这一点上，九章暂时还处于追赶状态。

但无论技术路线有何不同，多位科学界人士均认为，中国制造出包含76个量子比特的量子计算机是一个重大的科学成就，这也说明中国在量子计算领域处于国际上的“第一梯队”。潘建伟在接受央视采访时表示，在量子计算领域第一个里程碑的目标就是展示量子计算机的优越性，即：我们总算可以演示某个功能，比传统的超级计算机算得好了，这样我们就可以进一步去寻找各种各样的应用。

需要注意的是，不论是“九章”还是“悬铃木”，目前还只能做到求解特定问题，如“九章”量子计算系统处理高斯玻色取样的速度比目前最快的超级计算机快一百万亿倍(“九章”一分钟完成的任务，超级计算机需要一亿年)。

“目前，量子计算机的演示还是在初级阶段，我们攻关的重点是如何使用纠错容错技术，做出能够真正解决实际问题的专用机，这也是世界的难题。”郭光灿告诉记者。

潘建伟表示，希望能够通过15年到20年的努力研制出通用量子计算机，这样的话就能用它来解决很多非常广泛的问题了，如密码分析、气象预报、药物设计。

中科大官方表示，关于“九章”的相关论文已于12月4日在线发表在国际学术期刊《科学》上，《科学》杂志审稿人评价该工作是“一个最先进的实验”(a state-of-the-art experiment)，“一个重大成就”(a major achievement)。研究人员希望这个工作能够激发更多的经典算法模拟方面的工作，也预计将来会有提升的空间。量子优越性实验并不是一个一蹴而就的工作，而是更快的经典算法和不断提升的量子计算硬件之间的竞争，但最终量子并行性会产生经典计算机无法企及的算力。

自2016年5月2日韩春雨作为通讯作者的“基因编辑技术NgAgo”论文发表引起关注、5月底质疑的声音开始出现，韩春雨实验的可重复争议，不仅科学界议论纷纷，在社会层面也引发了相关讨论。那么，基因编辑技术到底是一项怎么样的技术呢？为什么它这样备受瞩目？今天我们就一起去扒一扒基因编辑技术的“真面目”！

基因编辑技术到底是个什么鬼？

首先我们先介绍一下基因编辑的概念。实际上，“基因编辑”这四个字是比较简化的，严格来说我们应该称它为“基因组定点编辑技术”。这里我们要注意两个关键词，一个是“基因组”，它要在细胞核的基因组里面。

另一个是“定点编辑”，因为在细胞核的基因组里面，不同的基因都有不同的位点。如果我们不是说在特定的基因组位点进行编辑的话，实际上和我们现在讨论的这个技术就大相径庭了。因为有很多其他技术可以改变细胞内的DNA组成。比如线粒体基因替代技术。还有一个就是用重组过的特异性病毒引入外源基因，但是它不能够定点，它是随机放到基因组里面的，这和我们今天要讨论的基因编辑技术都是不一样的。基因编辑技术，也就是“基因组定点编辑技术”，这个技术指的是对特定DNA片段的敲除、加入以及定点突变。

基因编辑技术的历史

实际上，基因编辑技术不是一个新的概念，早在90年代就开始有了。到目前为止，已经经历了三代。

第一代基因编辑技术就是同源重组建立动物基因敲除（knock-out），基因敲入（knock-in）的基因突变模型。顾名思义，基因敲除（knock-out）指的是把原有的动物基因组的某些基因通过一定的技术把它从动物基因组里敲除出去；基因敲入（knock-in）则是在动物基因组某个位点上把原本不存在的基因通过一定的技术把它整合进去。基因敲除（knock-out）和基因敲入（knock-in）是通过DNA同源重组技术来完成的。这是一个非常复杂的技术。如果要做成一个成功的动物基因敲除（knock-out），基因敲入（knock-in）的基因突变模型，大概需要花费2到3年的时间，投入的资金也比较多。另外，这个技术一般来说是用于建立遗传疾病研究的动物模型，很难用于临床或者说大面积应用在农业畜牧业方面。

第二代基因编辑技术是ZFN,TALEN技术。这两个技术的原理都是通过DNA核酸结合蛋白和核酸内切酶结合在一起建立一个系统。因为这些蛋白可以识别一定的核苷酸序列，通过一定设计形成的系统可以对特定的基因进行基因敲除和基因突变。

第三代基因编辑技术就是最近非常火的CRISPR/Cas9 系统。它的原理就是利用核糖体结构来进行基因编辑。CRISPR/Cas9 系统经过一定的设计可以结合到靶基因上，然后对这个靶基因进行敲除、定点突变或者引入新的外源基因，来进行基因编辑。

为什么第三代基因编辑技术备受瞩目？

确切地说，这三代基因编辑技术到目前为止都存在一定的技术局限性。第一个比较明显的局限性就是脱靶效应。那什么是脱靶效应呢？比如原本设计是对某一个DNA靶点进行基因编辑，但是一直找一直找，却没有找到正确的靶点，实际上却跑到这个点组成相似的位点去了，这就出现了脱靶。

第二个我们关注的问题就是编辑效率。任何技术都有一定的编辑效率。第三代基因编辑技术的效率要比第二代基因编辑技术高，这也是我们为什么对这三代基因编辑技术这么感兴趣的原因。

还有一个问题就是基因编辑技术对同一基因可能会造成不同的基因突变类型。不同的基因突变类型混合在一起，会让检测工作变得复杂很多。在这点上，第三代基因编辑技术同样表现不俗，要比这二代基因编辑技术好很多。

总的来说，为什么第三代基因编辑技术这么受大家的关注？主要得益于它以下几个优点：一是它的设计比较简单；二是它的效率比较高；三是它的价格相对便宜些；四是它的应用范围更广泛些，能针对的靶基因是比较多的。

基因编辑技术有什么用?

我们研究基因编辑技术，那基因编辑技术到底可以应用在哪些方面呢？主要有以下这几个方面：第一个就是可以形成不同基因型的动物模型，这从第一代基因编辑技术就开始做了。建立不同基因型的动物模型的意义在于，对遗传性疾病，这些基因和疾病之间的关系，这些模型可以给出一个比较确切的答案。这对研究遗传性疾病具有重大意义，这也是为什么大家从第一代开始就密切关注基因编辑技术的发展了。

第二个主要是应用在动植物育种。不同的物种的同一个基因上，可能会存在不同的SNP。不同的SNP对正常的生理功能影响是不大的，但是却会影响一定的表型。比如水稻是不是就会更高产一些，动物的瘦肉是不是更多一些等等表型。有了基因编辑技术，在育种的过程中，我们就可以对我们最想要的某一个基因进行单点突出，以实现效益的最大化。目前为止，第三代基因编辑技术效率相比于前两代技术来说是最高的。

还有一个就是对遗传疾病的治疗比较有用。目前来说，基因编辑技术主要是用在人源性的细胞上面，临床还没有用到。我们知道，很多遗传疾病都和细胞的突变有关。如果说利用基因编辑技术，我们能够把致病的基因转换成正常的基因的话，那么对家族有遗传病史的人来说，这将是一个福音。

但是现在的基因编辑技术离临床治疗还远。要应用到临床上需要考虑很多问题，比如这个系统的毒性怎么样？它进去以后会不会引起什么免疫反应？因为现在基因编辑技术还存在脱靶效应，如何对我们要编辑的基因进行准确地定位是个大问题。这些都是需要研究清楚才能上临床的。

（作者：胡昕华，中国科学院神经科学研究所博士。感谢中国科学技术大学化学博士，中国科学技术大学合肥微尺度物质科学国家实验室副研究员，科技与战略风云学会会长袁岚峰的推荐，原创作品，转载请注明出自知识就是力量微信公众号）

（图片来自网络）

编辑：刘伟琼

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量子计算机是利用量子力学的原理，量子力学可以允许一个物体同时处于多种状态，比如0和1同时存在，它可以做一个原理上叫做并行计算，就是很多个任务可以一起来完成，因此它就有了一种超越经典计算机的计算能力。

袁岚峰同学连续12年评不上正研究员，自己导（后）师（台）又退休了，于是乎开始写政论文和科普文，看来还是中科大的业绩点要求太低了~